Временные характеристики слуха

Строение слухового анализатора

Сначала звуковая волна попадает в наружный слуховой проход. При этом за счёт акустического резонанса усиливаются среднечастотные звуки, составляют основную часть спектра речи. В конце наружного слухового прохода колебания передаются барабанной перепонке, с неё - на слуховые косточки в среднем ухе. Сигнал значительно усиливается при переходе от относительно большой барабанной перепонки через молоточек до маленького основания наковаленки. С наковаленки вибрации передаются на стремечко, после чего - на мембрану овального окна. От этого в движение приходит жидкость внутреннего уха, благодаря чему происходит дополнительное усиление сигнала. Изменения давления в перилимфе в верхнем канале вызывает колебания основной мембраны и мембраны Рейснера. От этого приходит в движение эндолимфа среднего канала, которая вызывается смещение покровной мембраны и, соответственно, колебание волосковых клеток Кортиева органа. Чем выше высота звуковых колебаний, тем ближе к овальному окну (основанию улитки) находится максимум амплитуды колебаний волосковых клеток. Чем меньше частота, тем ближе к верхушке улитки отмечаются наибольшие колебания. При движении этих клеток генерируется электрический импульс, который по слуховому нерву направляется в головной мозг.

Колебания постепенно затухают, переходя по перелимфе из верхнего канала через отверстие в верхушке улитки (гликотрема) в нижний канал, где попадая на мембрану круглого окна, постепенно уменьшают свою амплитуду.

Пределы слухового анализатора человека

Здоровая слуховая система человека может различать разные по высоте звуки - это диапазон частот от 20 до 20000 герц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц, что связано с изменениями во внутреннем ухе (улитке) и развитием с возрастом нейросенсорной тугоухости. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания. Наибольшая чувствительность достигается в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее — к нарушению слуха, контузии и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.

Диапазон давлений: речь от 40 до 84 дБ, музыка от 35 до 100 дБ. Полоса частот: речь от 100 до 7000 Гц, музыка от 31 до 15000 Гц.

Порог слышимости — минимальное звуковое давление, при котором звук данной частоты воспринимается ухом человека. Величину порога слышимости выражают в децибелах. За нулевой уровень принято звуковое давление 2⋅10⁻⁵ Па на частоте 1 кГц. Порог слышимости у конкретного человека зависит от индивидуальных свойств, возраста, физиологического состояния.

Порог болевого ощущения — величина звукового давления, при котором в слуховом органе возникают боли (что связано, в частности, с достижением предела растяжимости барабанной перепонки). Превышение данного порога приводит к акустической травме. Болевое ощущение определяет границу динамического диапазона слышимости человека, который в среднем составляет 140 дБ для тонального сигнала и 120 дБ для шумов со сплошным спектром.

Кривая порога слышимости является частным случаем более общих — кривых одинаковой громкости, изофонов: значения звукового давления на разных частотах, при котором человек ощущает звуки одинаково громкими.

Различительные возможности слуха оцениваются дифференциальными порогами (ДП), определяющими то минимальное изменение какого-либо из параметров звука, которое может быть оценено слухом. У человека ДП по интенсивности равен 0,3—0,7 дБ, ДП по частоте — 2—8 Гц. Усиление звука повышает различительные возможности слуха.

Постстимульное утомление

Нередко после воздействия громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется «временный сдвиг порога слуховой чувствительности» или «постстимульное утомление». Сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причём наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокие частоты.

Эффект маскировки.

В определённых случаях один звук может быть скрыт другим звуком. Например, разговор рядом с железнодорожными путями может быть совершенно невозможен, если мимо проезжает поезд. Этот эффект называется маскировкой. Говорят, что слабый звук маскируется, если он становится неразличимым в присутствии более громкого звука.

Различают несколько видов маскировки:

· По времени прихода маскирующего и маскируемого звука:

o одновре́менное (моноуральное) маскирование

Любые два звука при одновременном прослушивании оказывают влияние на восприятие относительной громкости между ними. Более громкий звук снижает восприятие более слабого, вплоть до исчезновения его слышимости. Чем ближе частота маскируемого звука к частоте маскирующего, тем сильнее он будет скрываться. Чаще всего низкочастотный звук маскирует высокочастотные. Высокочастотные звуки, такие как С или Ц, могут затеряться среди более громких низкочастотных звуков, например, А, О или У. Это значит, что человек со сниженным слухом будет жаловаться на то что он слышит, как люди говорят, но ничего не понимает.

o вре́менное (неодновременное) маскирование

Это явление похоже на частотную маскировку, но здесь происходит маскировка во времени. При прекращении подачи маскирующего звука маскируемый некоторое время продолжает быть неслышимым. Время маскировки зависит от частоты и амплитуды сигнала и может достигать 100 мс. В обычных условиях эффект от временной маскировки длится значительно меньше.

· По типу маскирующего и маскируемого звуков:

o чистого тона чистым тоном различной частоты

o чистого тона шумом

o речи чистыми тонами

o речи монотонным шумом

o речи импульсными звуками и т. п.

Фантомы

Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ушной улитке не являются линейными, и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Звуковые колебания

Мы слышим звук, который передается по воздуху и воспринимаем его как нечто первичное. Его воздействие на слух называется раздражением, а то что мы слышим – ощущением. Как раздражение, так и ощущение существенно зависят от характера звука, поэтому для изучения их взаимосвязи все звуки целесообразно разделить на группы в зависимости от их восприятия на слух.

Чистые тоны. В этом случае звуковое давление описывается синусоидальной функцией времени с постоянной амплитудой, частотой и фазой. Тоны на слух воспринимаются как тихие или громкие, высокие или низкие.

Созвучие. Это стационарный звук, состоящий из нескольких тонов, например, звук колокола. В большинстве случаев под созвучием понимается комбинация основного тона и нескольких обертонов. Звуковое давление созвучия представляет собой периодическую функцию времени: функция имеет несинусоидальную форму, спектр линейчатый с примерно одинаковыми составляющими – основное колебание не доминирует. К созвучиям также относятся гласные звуки речи.

Частотно-модулированные (ЧМ) звуковые колебания. Такие колебания характеризуется средней частотой, частотой модуляции и девиацией средней частоты. Важной характеристикой ЧМ-колебания является индекс модуляции, равный отношению девиации к модулирующей частоте. При малых индексах модуляции спектр ЧМ-колебания такой же, как у АМ-колебания. Чем больше этот индекс, тем больше число боковых составляющих спектра и шире спектр.

Частотный интервал между составляющими спектра ЧМ-колебания равен модулирующей частоте.

В музыкальных звуках ЧМ проявляется в виде вибрато. В скрипичной игре девиация основного тона может достигать 10 Гц, при частоте модуляции 3 Гц. При этом индекс модуляции равен 3 и спектр имеет полосу 440 ± 13 Гц, в него входит 9 составляющих.

Биения. Два тона с одинаковыми амплитудами и частотами, но с изменяющейся фазой, воспринимаются на слух как периодическое изменение громкости тона, что называется биением. Такой звук имеет орган.

Шумы. Звуки, спектр которых непрерывен, называются шумами. В зависимости от характера огибающей спектральной плотности мощности шума они имеют условные названия: белый, розовый и равномерно маскирующий. В зависимости от ширины спектра шум может быть широкополосным, узкополосным, октавным, третьоктавными и др. Важнейшей характеристикой шума является частотная зависимость спектральной плотности мощности RШ.

Белый шум. У данного шума уровень спектральной плотности мощности N(R)БШ не зависит от частоты. В линейной шкале частот его график имеет вид прямой линии, параллельной оси частот. В октавной шкале частот график уровня спектральной плотности мощности этого шума имеет вид наклонной прямой линии с подъемом в область высоких частот с крутизной 3 дБ/октаву.

Розовый шум. У этого шума уровень спектральной плотности мощности N(R)РШ в октавной шкале не зависит от частоты и его график имеет вид прямой линии, параллельной оси частот. В линейной шкале частот график уровня спектральной плотности мощности этого шума имеет вид прямой линии, спадающей к высоким частотам с крутизной 3 дБ/октаву.

Равномерно маскирующий шум. До частоты 500 Гц этот шум имеет характеристики белого шума, а выше он имеет характеристики розового шума. Это связано с критическими полосами слуха, которые до 500 Гц примерно одинаковы по ширине, а свыше 500 Гц их полоса линейно растет с частотой. Этот шум одинаково маскирует во всем звуковом диапазоне частот. Он формируется из белого шума с помощью фильтра, который на частотах выше 500 Гц создает спад с крутизной 3 дБ/октаву.

Узкополосный шум сопровождает звуки почти всех вокальных инструментов. Играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический тон, но и узкополосный шум от вдувания воздуха. Это придает выразительность звучанию. Такие шумы возникают при игре на смычковых инструментах, а также в речи и пении.

Импульсы и последовательности звуковых импульсов. Краткие звуки создают импульсы звукового давления. Речь человека представляет собой последовательность импульсов звукового давления различной амплитуды, частоты и длительности. Долгие гласные звуки сравнимы со стационарными тонами, краткие – лучше называть звуковыми импульсами. При длительности импульсов 50 мкс все спектральные составляющие лежат ниже 20 кГц. При уменьшении длительности до 20 мкс большая часть спектра находится за пределами 20 кГц.

Временные характеристики слуха

Слуховой аппарат инерционен: при исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время в течение, которого ощущение по уровню громкости уменьшается на 9…10 фон называется постоянной временем слуха. В среднем она равна 30…50 мс.

 Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковые по составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно, когда запаздывание не превышает 50 мс. При больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно. Это явление называется эхом, оно проявляется, когда разность хода прямого и отраженного звуков более 18 м.

Если уровень запаздывающего звука намного меньше уровня первого, то он не будет принят раздельно, даже если время запаздывания больше 50 мс. Это обусловлено эффектом маскировки- ощущение от первого звука маскирует второй.

К временным характеристикам слуха относится явление послемаскировки: слабые звуки, идущие сразу после громких звуков, оказываются полностью или частично замаскированными из-за последействия предыдущего звука. К этим характеристикам звука относится и время установления высоты тона звука. Для этого необходимо два – три периода колебаний, чтобы слух мог приближенно оценить высоту звука. На низких частотах время установления составляет около 30 мс, на высоких частотах – оно несколько меньше.

Адаптация слуха

При воздействии на барабанную перепонку уха достаточно длительного звука большой интенсивности воспринимаемая громкость постепенно уменьшается. Это значит, что во время действия длительного громкого звука падает чувствительность уха. После прекращения действия звука чувствительность слуха постепенно восстанавливается. Это явление называется адаптацией слуха.

Явление адаптации слуха поясняется рисунками 20 и 21. На этих рисунках в качестве примера приведено воздействие звука в виде импульсов длительностью по 2 минуты на чувствительность слуха. При уровне звукового давления 94 дБ (рис. 20, а) происходит плавное понижение воспринимаемого уровня громкости с 94 до 85 фон (рис. 20, б). Скорость падения уровня громкости по времени от 0 до 40 с высокая, затем она уменьшается почти до нуля.

При последующем скачкообразном возрастании звукового давления на 6 дБ (рис. 20,б) уровень громкости сначала возрастает на 9 фон, а затем вновь начинает уменьшаться. Однако, уменьшение уровня громкости в этом случае заметно меньше с 95 до 88 фон. Это значит, что степень адаптации тем выше, чем громче утомляющий звук.

На рис. 21,б показано изменение воспринимаемого уровня громкости при скачкообразном уменьшении звукового давления с 94 до 85 дБ. При этом скачок уменьшения уровня громкости составляет почти 20 фон. Затем происходит адаптация слуха к тишине и чувствительность уха частично восстанавливается, а воспринимаемый уровень громкости через 2 минуты возрастает на 12 фон.

Таким образом, адаптация проявляется в виде потери чувствительности слуха при достаточно длительном воздействии громкого звука и восстановлении ее при уменьшении громкости утомляющего звука. Защитная способность уха обладает инерцией – этот механизм начинает работать через 30…40 мс после начала звука. Полная защита слуха от воздействия высоких уровней не достигается даже за 150 мс. Поэтому для слуха наиболее опасны очень короткие громкие звуки.