Слух
Материал из МагВики::Справочник по автозвуку и электронике
Содержание |
СЛУХ
способность воспринимать звуки. Слух зависит от: 1) уха – наружного, среднего и внутреннего, – которое воспринимаетзвуковые колебания; 2) слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы; 3) определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание исходных звуковых сигналов. Любой источник звука – струна скрипки, по которой провели смычком, столб воздуха, движущийся в органной трубе, или голосовые связки говорящего человека – вызывает колебания окружающего воздуха: сначала мгновенное сжатие, потом мгновенное разрежение. Другими словами, из каждого источника звука исходят серии чередующихся волн повышенного и пониженного давления, которые быстро распространяются в воздухе. Этот движущийся поток волн и образует звук, воспринимаемый органами слуха. Большинство звуков, с которыми мы сталкиваемся каждый день, довольно сложны. Они порождаются сложными колебательным движениями источника звука, создающими целый комплекс звуковых волн. В экспериментах по исследованию слуха стараются выбрать как можно более простые звуковые сигналы, чтобы легче было оценить результаты. Много усилий тратится на то, чтобы обеспечить простые периодические колебания источника звука (по типу маятника). Получающийся в результате поток звуковых волн одной частоты называется чистым тоном; он представляет собой регулярную, плавную смену высокого и низкого давления.
Человеческий слух обладает уникальной способностью реагировать на звуковые сигналы как очень малой интенсивности (звуковое давление 10-12 Вт/м2 — уровень 0 дБ), так и очень большой интенсивности (звуковое давление 1 Вт/м2 — уровень 120 дБ). Это соответствует динамическому диапазону 120 дБ.
Способность слухового анализатора регистрировать огромный диапазон величин звуковых давлений объясняется тем, что различается не разность, а кратность изменения абсолютных величин (ступенчатость восприятия). Установлено, что каждая последующая ступень восприятия отличается от предыдущей на 12,4%. Поэтому для характеристики акустического феномена принята специальная измерительная система интенсивности и энергии шума, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием, а именно: шкала логарифмических единиц, как наиболее объективная и соответствующая физиологической сущности восприятия. По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии выше предыдущей в 10 раз. Например, если интенсивность звука больше другого в 10, в 100, в 1000 раз, то по логарифмической шкале она соответствует увеличению на 1, 2, 3 единицы (lg10=1, lg100=2 и т.д.). Логарифмическая единица, отражающая десятикратную степень увеличения интенсивности звука над уровнем другого, называется в акустике белом (Б). Преимуществом логарифмической шкалы измерений является также и удобство пользования, поскольку использование в практике измерений огромного диапазона звуковой энергии в абсолютных величинах громоздко и неудобно. Логарифмические единицы позволяют оценить интенсивность звука не абсолютной величиной звукового давления, а ее уровнем, т.е. отношением фактически создаваемого давления к давлению, принятому за единицу сравнения. Такой единицей считается минимальное давление, которое человек воспринимает как звук на частоте 1000 Гц, а именно: 2•10–5 Н/м2. Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 12–14 Б (120–140 дБ). Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей — децибелом ( дБ ), которая соответствует примерно минимальному приросту силы звука, различаемому ухом.
Тут же выясняется еще одна интересная особенность — нелинейность слуха, которая была открыта Александром Белом, обнаружившим, что наша слуховая система реагирует на силу звука (уровень звукового давления) «логарифмически». Оказалось, что при увеличении уровня звукового давления вдвое мы не слышим этот звук в два раза громче. Из приведенной выше таблицы можно заключить, что для увеличения громкости с 10 до 50 дБ, то есть в четыре раза по логарифмической шкале , требуется увеличение энергии и звукового давления в 10 тыс. раз. Именно эта исключительная особенность слуха позволяет слышать такой динамический диапазон, поэтому в качестве единицы измерения выбрана логарифмическая единица — Бел (Б). Для удобства пользуются дробной ее частью (1/10) — децибелом (дБ).
Границы слухового восприятия.
Описанный «идеальный» источник звука можно заставить колебаться быстро или медленно. Это позволяет выяснить один из главных вопросов, возникающих при исследовании слуха, а именно какова минимальная и максимальная частота колебаний, воспринимаемых человеческим ухом как звук. Эксперименты показали следующее. Когда колебания совершаются очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждая звуковая волна слышится отдельно и не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук самой низкой басовой трубы органа. По мере дальнейшего возрастания частоты воспринимаемый тон становится все выше; при частоте 1000Гц он напоминает верхнее до у сопрано. Однако и эта нота все еще далека от верхней границы человеческого слуха. Только когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает слышать. Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). Здесь чувствительность так велика, что сколько-нибудь существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха. По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям воспринимаемого диапазона частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается физически прежде, чем слышится.
Общеизвестно, что чем больший уровень звукового давления (дБ) создает акустическая аппаратура, тем она громче звучит. Однако все далеко не так просто — можно создать звуковые сигналы очень большой интенсивности, и при этом никакого ощущения громкости не вызвать. И это притом, что слуховая система может быть даже повреждена — например, в случае, если эти сигналы слишком короткие (менее 35 мс) или слишком низкочастотные (ниже 100 Гц). Происходит это потому, что громкость зависит не только от интенсивности звука, но и от его частоты, спектрального состава, длительности, локализации в пространстве и др. Слух по-разному реагирует на изменения громкости звука на разных частотах его колебания: он наиболее чувствителен к звуковым колебаниям в диапазоне от 2 до 5 кГц. И хотя считается, что диапазон частот звуковых колебаний, воспринимаемый человеческим слухом, простирается в пределах от 20 Гц до 20 кГц (цифры усредненные, могут колебаться в широких пределах, но обычно в сторону ухудшения, особенно по высоким частотам), чувствительность к разным частотам неодинакова. Высокие и низкие звуки, объективно имеющие одинаковый уровень, субъективно воспринимаются нами как звуки разной громкости. А значение уровня звука и субъективно слышимой громкости совпадают только на частоте 1000 Гц (для определения громкости был введен еще один термин, который назвали «фон». Значение фона всегда равно уровню звукового давления в дБ на частоте 1кГц, на других частотах эти значения отличаются). На основании исследований человеческого слуха были построены графики, которые известны каждому звукорежиссеру как кривые равной громкости (Рис. 6). На них изображены линии (они расположены через 10 дБ на частоте 1000 Гц), которые соответствуют одинаково воспринимаемой громкости на разных частотах. Легко можно увидеть, что на низких и высоких — чувствительность слуха притупляется. А, например, чтобы услышать звук частотой 20 Гц, его уровень должен быть около 80 дБ!! Так как наиболее линейно мы воспринимаем звук с уровнем 85–95 дБ, именно на этом уровне громкости работают звукорежиссеры в студиях, и он же является оптимальным уровнем для воспроизведения музыки, при котором не требуется корректировки тембра либо тонкомпенсации.
Звук и его восприятие.
Чистый тон имеет две независимых характеристики: 1) частоту и 2) силу, или интенсивность. Частота измеряется в герцах, т.е. определяется количеством полных колебательных циклов в секунду. Интенсивность измеряется величиной пульсирующего давления звуковых волн на любую встречную поверхность и обычно выражается в относительных, логарифмических единицах – децибелах (дБ). Необходимо помнить, что понятия частоты и интенсивности применимы только к звуку как внешнему физическому раздражителю; это т.н. акустические характеристики звука. Когда мы говорим о восприятии, т.е. о физиологическом процессе, звук оценивается как высокий или низкий, а его сила воспринимается как громкость. В целом, высота – субъективная характеристика звука – тесно связана с его частотой; звуки высокой частоты воспринимаются как высокие. Также, обобщая, можно сказать, что воспринимаемая громкость зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считается. На восприятие высоты звука в некоторой степени влияет его сила, а на воспринимаемую громкость – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения воспринимаемой высоты, соответствующим образом варьируя его силу. «Минимальная заметная разница». И с практической, и с теоретической точки зрения определение минимальной улавливаемой ухом разницы в частоте и силе звука – весьма важная проблема. Как надо изменить частоту и силу звуковых сигналов, чтобы слушающий это заметил? Выяснилось, что минимальная заметная разница определяется скорее относительным изменением характеристик звука, нежели абсолютными изменениями. Это касается и частоты, и силы звука. Необходимое для различения относительное изменение частоты различно как для звуков разных частот, так и для звуков одной частоты, но разной силы. Можно сказать, однако, что приблизительно оно равно 0,5% в широком диапазоне частот от 1000 до 12 000 Гц. Этот процент (т.н. порог различения) несколько выше в области более высоких частот и значительно выше при более низких. Следовательно, ухо менее чувствительно к изменению частоты по краям диапазона частот, чем при средних значениях, и это часто замечают все, кто играет на рояле; интервал между двумя очень высокими или очень низкими нотами кажется меньше, чем у нот в среднем диапазоне. Минимальная заметная разница в том, что касается силы звука, несколько другая. Для различения требуется довольно большое, около 10%, изменение давления звуковых волн (т.е. около 1 дБ), и эта величина относительно постоянна для звуков почти любой частоты и интенсивности. Однако, когда интенсивность раздражителя низка, минимальная заметная разница значительно увеличивается, особенно для тонов низких частот.
Обертоны в ухе.
Характерное свойство почти любого источника звука – то, что он не только производит простые периодические колебания (чистый тон), но совершает и сложные колебательные движения, которые дают несколько чистых тонов одновременно. Обычно такой сложный тон состоит из гармонических рядов (гармоник), т.е. из самой низкой, основной, частоты плюс обертоны, частоты которых превосходят основную в целое число раз (2, 3, 4 и т.д.). Таким образом, объект, колеблющийся с основной частотой 500 Гц, может также производить обертоны 1000, 1500, 2000 Гц и т.д. Человеческое ухо в ответ на звуковой сигнал ведет себя сходным образом. Анатомические особенности уха обеспечивают много возможностей для превращения энергии входящего чистого тона, хотя бы частично, в обертоны. А значит, даже когда источник дает чистый тон, внимательный слушатель может услышать не только основной тон, но и едва воспринимаемые один или два обертона.
Взаимодействие двух тонов.
Когда два чистых тона воспринимаются ухом одновременно, могут наблюдаться следующие варианты их совместного действия, зависящие от природы самих тонов. Они могут маскировать друг друга, взаимно уменьшая громкость. Это чаще всего происходит, когда тоны не сильно различаются по частоте. Два тона могут соединяться друг с другом. При этом мы слышим звуки, соответствующие либо разнице частот между ними, либо сумме их частот. Когда два тона очень близки по частоте, мы слышим единый тон, высота которого примерно соответствует данной частоте. Этот тон, однако, становится то громче, то тише, поскольку два слегка несовпадающих акустических сигнала непрерывно взаимодействуют, то усиливая, то гася друг друга.
Тембр.
Объективно говоря, одни и те же сложные тоны могут различаться по степени сложности, т.е. по составу и интенсивности обертонов. Субъективной характеристикой восприятия, в целом отражающей особенность звука, является тембр. Таким образом, ощущения, вызванные сложным тоном, характеризуются не только определенной высотой и громкостью, но и тембром. Некоторые звуки кажутся богатыми и полными, другие – нет. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на рожке. Если, однако, умудриться отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить.
Локализация звуков.
Человеческое ухо не только различает звуки и их источники; оба уха, работая вместе, способны довольно точно определять направление, откуда идет звук. Поскольку уши расположены с противоположных сторон головы, звуковые волны от источника звука достигают их не совсем одновременно и воздействуют с несколько разной силой. За счет минимальной разницы во времени и силе мозг довольно точно определяет направление источника звука. Если источник звука находится строго спереди, то мозг локализует его вдоль горизонтальной оси с точностью до нескольких градусов. Если источник смещен в одну из сторон, точность локализации чуть-чуть меньше. Отличить звук сзади от звука спереди, а также локализовать его вдоль вертикальной оси оказывается несколько труднее. Шум часто описывают как атональный звук, т.е. состоящий из различных. не связанных между собою частот и потому не повторяющий достаточно последовательно такого чередования волн высокого и низкого давления, чтобы получалась какая-то определенная частота. Однако фактически почти любой «шум» имеет свою высоту, в чем нетрудно убедиться, слушая и сравнивая обычные шумы. С другой стороны, любой «тон» имеет элементы шероховатости. Поэтому различия между шумом и тоном трудно определить в этих терминах. В настоящее время наблюдается тенденция определять шум скорее психологически, чем акустически, называя шумом просто нежелательный звук. Уменьшение шума в этом смысле стало насущной современной проблемой. Хотя постоянный сильный шум, без сомнения, приводит к глухоте, а работа в условиях шума вызывает временный стресс, все же он оказывает, вероятно, менее длительный и сильный эффект, чем ему иногда приписывают. Конечно же, слухом обладают не только люди. Способность слышать возникает на ранних ступенях эволюции и существует уже у насекомых. Разные виды животных воспринимают звуки различных частот. Одни слышат меньший, чем человек, диапазон звуков, другие – больший. Хороший пример – собака, чье ухо чувствительно к частотам за пределами человеческого слуха. Одно из применений этого – производство свистков, звук которых не слышен человеку, но достаточен для собаки. Более полная информация о слухе животных содержится в статьях, посвященных отдельным видам.
Потеря слуха
Допустимый уровень громкости, при котором не происходит нарушения слуха, определяется с учетом интенсивности и времени воздействия звука. Большинство специалистов считают, что при восьмичасовом воздействии интенсивность звука не должна превышать 85 дБ. Та же цифра записана в ГОСТе (ГОСТ 12.1.003-83) и американских «Нормативах допустимого уровня шума на рабочем месте» OSHA (Occupational Safety and Health Administration — управление профессиональной безопасности и здоровья). У нас вполне могут использоваться (но не используются) американские нормы OSHA или английские GLC, больше подходящие для музыкальных шоу. Они немного разные, по GLC допускается более длительное воздействие звукового давления при его невысоких значениях. Впрочем, они сходятся в одном: не более 2 мин воздействия звуковым давлением 115 дБ и 85 — НЕДОЛГО.
Зависимость падения слуха от возраста у мужчины и женщины. Чувствительность мужского слуха к восприятию звуков с высокими частотами колебания (3 кГц и выше) может падать гораздо более резко и глубоко, чем у женщин, лишая его способности различать тонкие детали звучания и нюансы музыки. Об этом свидетельствует усредненная статистика, представленная на графиках.
При увеличении интенсивности на каждые 5 дБ допустимое время воздействия уменьшается в два раза . Время пребывания можно увеличить, если давать ушам отдохнуть. Так поступают, например, звукорежиссеры в студиях (концертным повезло меньше, они обычно не имеют такой возможности, но и концерт в большинстве случаев не столь продолжителен, как смена в студии звукозаписи). На предприятиях с высоким уровнем шума руководство должно предоставлять средства для изоляции ушей (вкладыши, наушники) и ограничивать время пребывания в зонах высокого давления звука. Как бы там ни было, одно нужно усвоить навсегда: УРОВЕНЬ ЗВУКА ВЫШЕ 90 дБ ОПАСЕН ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ!!! Безусловно, существует много профессионалов, которые всю жизнь проработали именно в таких условиях и не потеряли при этом своего слуха. Но есть и другие, которые уже в возрасте 30 лет имеют проблемы со слухом: тугоухость, падение чувствительности к частотам выше 5–6 кГц на 15–25 дБ, шумовые «зубцы» на 4 кГц, звон в ушах. К сожалению, мы до сих пор не знаем, почему одни получают повреждения от громких звуков, а другие — нет. Насколько известно на сегодняшний день, никто (даже отоларинголог) не в состоянии, осмотрев ваши уши, определить, состоите ли вы в группе риска. Поэтому все должны осознавать, что рискует каждый и что каждый должен понимать опасность и предпринимать все меры предосторожности, чтобы защитить свои уши. Вспомните уровень звукового давления, намерянный в вашем авто на последнем соревновании!! 120 дБ?, 130 дБ?, 140 дБ? Как вы еще и из машины во время замера не выходили? — Поздравляем. — Говорить громче? — ПОЗДРАВЛЯЕМ!!! — ?? — Все равно не слышно? Ну а кто вам доктор?
Заблуждение: если бы Я наЧал терЯть слух,я бы это сразу заметил.
А ведь если долго находится за порогом «всего» 90 дБ у человека может развиться тугоухость! Конечно, это не значит, что все пассажиры метро рано или поздно должны оглохнуть. Важную роль играют индивидуальные особенности человека. Все по-разному реагируют на повышенный уровень шума. Тем не менее, клинические наблюдения показывают: у жителей мегаполиса, перегруженных уличными и производственными звуками, слушателей мощных аудиосистем, фанатов звука в наушниках и любителей постоять возле колонок на дискотеке, сначала возникает утомляемость, затем органы слуха истощаются, и, наконец, начинаются повреждения клеток. Психические расстройства, или так называемый субъективный шум в ушах (человек вдруг начинает слышать звуки, источник которых установить нельзя), — это наиболее очевидные последствия «громкой» урбанизации и несоблюдения элементарной осторожности при прослушивании музыки. Оказывается, шумовые загрязнения способны осложнять нашу жизнь и куда более неожиданным образом — приводить к сердечно-сосудистым заболеваниям или расстройствам пищеварительной системы.
Комментарий к «заблуждению» При длительных воздействиях громкого звука потеря слуха развивается медленно и постепенно, а главное — безболезненно, так что вначале она едва заметна. Мало того, человеческий мозг старается к ней адаптироваться. В подавляющем большинстве случаев первыми потерю слуха у человека замечают окружающие. Сам человек уверен, что он прекрасно слышит, только другие люди почему-то говорят неразборчиво.
Выводы
- Не оставайтесь в автомобилях во время замеров звукового давления на соревнованиях. Если вы уже пробовали подобный «экстрим» и после нескольких непродолжительных снижений чувствительности слуха, он к вам возвращался — не рассчитывайте, что так будет всегда!
- Не слушайте музыку на очень большой громкости (свыше 90–100 дБ) продолжительное время. Помните, что высокое качество и мощность звуковой системы помогают маскировать завышенные звуковые уровни и создаваемую ими опасность. Ведь субъективно кажется, что 50 Вт с искажениями 10% звучат громче, чем 100 Вт с искажениями 0,01%! А это чревато, ведь слух ориентируется на искажения, как на предохраняющий фактор.
- Помните, ухудшение слуха не обязательно проявится сразу, но регулярное «издевательство» над ним может привести к частичной или полной глухоте к 30–40 годам. Такая потеря слуха развивается медленно и постепенно, а главное — безболезненно, так что вначале она едва заметна. Мало того, человеческий мозг старается к ней адаптироваться.
- Кроме глухоты, возможны и другие явления, например тиннитус — звон в ушах, который будет мучить вас всю оставшуюся жизнь!
- Посещая дискоклубы и концерты можно использовать губчатые ушные «пробки», или шумоглушители, которые обеспечивают ослабление звука от 15 до 30 дБ. И это не очень смешно, последствия пренебрежения этими правилами могут быть очень плачевными.
- Если по каким-либо причинам вы находитесь в поле высокого звукового давления (свыше 90–100 дБ), постарайтесь давать ушам отдых хотя бы 10–15 мин в час.
- Звуковое давление свыше 140 дБ опасно не только для здоровья, но и для жизни человека!!!
И да пребудет с вами музыка!
