Сущность звука

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные стереоустановки представляют собой комплекс, состоящий из ряда автономных устройств: источников звуковых сигналов (электропроигрывателя, магнитофона, тюнера), аппаратуры усиления, акустических систем и т.п. Каждое из этих устройств имеет самостоятельное значение и характеризуется показателями качества, определяющими качество воспроизводимой программы в делом. Именно по этой причине вся бытовая радиоэлектронная аппаратура разбита на группы сложности (классы качества). При звуковоспроизведении на аппаратуре высшей (нулевой) группы сложности искажения и помехи 75...80 % высококвалифицированных экспертов (музыканты или звукорежиссеры) практически не замечают и будут совершенно незаметны для рядовых слушателей (90%). При непосредственном сравнении звуковоспроизведения аппаратуры первой группы с высшей различие в качестве звучания замечают примерно 50 % экспертов и 20...25 % рядовых слушателей. При звуковоспроизведении на аппаратуре второй группы искажения и помехи замечают примерно 50 % рядовых слушателей. звук стереофонический частотный восприятие

Техника высококачественного звуковоспроизведения развивается настолько стремительно, что казавшиеся оптимальными недавние устройства сейчас считаются устаревшими. Этот процесс связан как с появлением новых, более совершенных, электрон ных элементов, так и с разработкой принципиально новых схемотехнических решений, обеспечивающих наилучшие характеристики звуковоспроизводящего тракта.

Широкий ассортимент отечественной и зарубежной аппаратуры позволяет компоновать различные по составу стереоустановки.

Усилитель мощности желательно укомплектовать селектором выхода для подключения дополнительных АС, установленных, например, в соседней комнате.

1. ОСОБЕННОСТИ ВОСПРИЯТИЯ ЗВУКА

Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия звука человеком.

Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20...20 ООО Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи. На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.

В табл. 1 показана зависимость (в процентах) воспринимаемых звуковых частот от возраста слушателя.

Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность верхних частот.

Таблица 1

Примечание. Данные получены при воспроизведении музыки с уровнем 85 дБ (форте).

2. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХОВЫХ ОЩУЩЕНИЙ

Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20...20 ООО Гц ограничивается по интенсивности порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений. На рис. 3 приведены частотные характеристики слуховых ощущений равной громкости.

Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением давления относительно границы чувствителен к частотам 1000...5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий (звуковое давление около 2 * 10~5 Па, что соответствует интенсивности 10"12 Вт/м 2). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко падает.

Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует примерно интенсивности звука 10 Вт/м 2 или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).

При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150.

Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2...3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.

Соотношение между звуковым давлением, уровнем громкости и интенсивностью приведено в табл.2.

Таблица 2

3. СУБЪЕКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками звука являются высота, громкость и тембр.

Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.

Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 ООО Гц 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, музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые).

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.

Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо от начальной частоты) всегда воспринимается как одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20...20 ООО Гц, он охватывает приблизительно десять октав.

Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты приблизительно в 1,054 раза.

Октаву делят на полуоктавы и третьоктавы. Для последних стандартизован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.

Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального состава, условий восприятия и длительности воздействия (см. рис.3). Тяк, два звучащих тона средней и низкой частоты, имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости. За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают. На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более тихими.

Кривые, приведенные на рис.3, называются кривыми равной громкости. Каждая кривая соответствует некоторому уровню громкости, выраженному в фонах, и дает возможность вычислить уровень интенсивности звуковых колебаний на различных частотах, при которых создается эта громкость, например уровню громкости в 30 фон на частоте 100 Гц соответствует уровень интенсивности звука 60 дБ.

Предположим, что мы на концерте симфонической музыки и с помощью "идеального" магнитофона делаем его запись; предположим также, что средний уровень громкости в зале 90 фон. Вернувшись домой, включаем магнитофон через "идеальную" систему воспроизведения, не вносящую никаких искажений в запись, но, чтобы не мешать соседям по квартире, устанавливаем уровень громкости 70 фон.

При прослушивании фонограммы обнаруживаем, что музыкальное произведение потеряло "краски", не хватает высоких и низких частот. Чтобы обеспечить высокое качество воспроизведения в современной звукоусилительной аппаратуре при уменьшении уровня громкости, с помощью тонкомпенсирующего регулятора изменяют коэффициент усиления в области низкочастотных (30...100 Гц) и высокочастотных (8000... 10 000 Гц) сигналов, компенсирующий в какой-то степени потерю чувствительности слуха на НЧ и ВЧ при снижении громкости прослушивания.

Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает, что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости в зале.

При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией. После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха). Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.

Значительный уровень громкости и длительное его воздействие вызывают необратимые явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости. Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.

Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумо- мера. Измеряемый звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности слуха.

Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.

Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.). При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.

Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты основного тона и нескольких "примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.

От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. На рис.4 показаны спектры звуков одной высоты, взятой на разных музыкальных инструментах. Звуки разных музыкальных инструментов различаются по тембру.

Различия в тембре определяются в основном низко- и средне- частотными составляющими сигнала, следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относящиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник, средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо ела бы, либо выпадают из области слышимых частот Поэтому высокие звуки, как правило, по тембр} беднее.

Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие звуки обычно являются и более резкими.

Тембровый признак громкости звука часто даже существеннее, чем уровень звукового давления, так как тембр для слуха меньше зависит от того, на каком расстоянии находится источник, т.е. от абсолютного уровня звукового давления в точке приема. Всегда легко отличить форте оркестра при тихом воспроизведении от пиано при полном усилении и т.п. Нарушение указанной зависимости создает противоестественное ощущение. Например, регулирование громкости в современных электромузыкальных устройствах, регуляторы которых изменяют только уровень звукового давления, не создавая никакого ощущения звукового напряжения, яркости. А ведь именно яркость и напряженность громкого звучания вызывают эмоцию силы в сравнении с нежностью и слабостью, свойственными звукам мягким и приглушенным.

4. МУЗЫКАЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗВУКА

Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов, характеризующих первичные источники звуков.

Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр, ансамбль, группа, солист) и типа музыки (симфоническая, народная, эстрадная и пр.).

Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику, связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.

Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота. Любой музыкальный звук проходит три стадии - начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых, ударных и некоторых духовых инструментов 0...20 мс, у фагота 20...60 мс. Атака - это не просто нарастание громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный инструмент. Неискаженная передача атаки музыкальных инструментов при воспроизведении - одна из проблем для конструкторов высококачественных громкоговорителей.

Одна из характеристик любого музыкального инструмента частотный диапазон звучания. Диапазоны звучания основных музыкальных инструментов приведены на рис. 6. Сверху под частотной шкалой (в логарифмическом масштабе) показана клавиатура фортепиано, а ниже представлены диапазоны основных частот различных музыкальных инструментов. Клавиатура фортепиано начинается со звука "ля" субконтрок- тавы (27,5 Гц), а кончается звуком "до" пятой октавы (4186 Гц). Клавиши, помеченные буквой "С", соответствуют звуку "до" (с него начинается каждая октава). Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими - обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический тембр. Частотные диапазоны обертонов на рисунке заштрихованы.

Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых частот, излучаемых источником.

Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100...200, валторны 200...400, тромбона 300...900, трубы 800...1750, саксофона 350...900, гобоя 800...1500, фагота 300...900, кларнета 250...600.

Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука - обусловливается большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4, трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0,16, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника 0,05.

Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо", к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания музыкальных инструментов.

Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского коллектива и характера исполнения.

Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов понимают отношение максимальных звуковых давлений Рмакс, создаваемых данным источником, к минимальным РМин, выраженное в децибелах:

На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен 90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического уровня (2 * 10~5 Па).

Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение. Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях, имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".

В табл. 3 приведены усредненные динамические диапазоны звучания отдельных музыкальных инструментов, музыкальных ансамблей, а также речевых программ и пения.

Таблица 3

Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо):

Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах НҐ (форте-, фортиссимо), соответствует акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ. Связь между музыкальными обозначениями громкости, звуковым давлением и акустическими уровнями динамического диапазона.

Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна.

Динамический диапазон той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30...35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25...30 дБ). Это справедливо и для духового оркестра.

Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать достаточно большого уровня (до 110 дБ).

5. ЭФФЕКТ МАСКИРОВКИ

Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскирующие в определенной мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной, указывающей, на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия в тишине.

Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например, если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).

Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее сильным. Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может стать плохо разборчивой, невнятной.

Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.

Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки. На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы, а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.

Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять из общей массы звуковЪдин или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.

Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала должно быть 10...15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например, при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки 60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45... 48 дБ.

6. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХОВОГО ВОСПРИЯТИЯ

Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ощущение по уровню громкости уменьшается на 8...10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковых по частотному составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. При больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.

Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.

Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощущение громкости кратковременного звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10...12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же по уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150...400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если продолжительность звукового импульса меньше 10...20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток, выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.

7. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ЗВУКЕ

Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.

До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде. Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется, что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.

Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500...2000 Гц существенны фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережающая по фазе, достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз меньше 3°, что составляет разницу во времени 100 мс.

Для источников звука, расположенных позади слушателей, точность локализации уменьшается и может составить примерно 12... 15°, что объясняется экранирующим действием ушных раковин.

Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной плоскости.

Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется в том, что органы слуха способны ощущать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помощью искусственных средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2...3 м друг от друга установлены две АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помещении через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков, проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся (виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.

Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения

источника звука можно получить не только изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.

Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м, расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится" на 70 см от центра.

Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.

В первичном помещении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового расстояния между излучателем звука и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помещении эффект суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства, находящейся между двумя громкоговорителями.

Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы, называемой системой "искусственной головы", в первичном помещении размещают два отдельных микрофона, располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.

Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала, субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится все более "тяжелым" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением уровня громкости.

Для средних расстояний (3...10 м) удаление источника от слушателя будет сопровождаться пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте и к гармоническим составляющим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра и тембр становится более ярким.

С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.

В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно прямого на 20...40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных источников или, что то же, о размерах помещения.

8. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СУБЪЕКТИВНОГО ВОСПРИЯТИЯ СТЕРЕОФОНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ

Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению с обычной монофонической.

Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол, под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность, т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.

Размещено на Allbest.ru