Биофизика слухового восприятия

С физиологических позиций звук - это ощущение, возникающее в ухе человека в результате действия изменения давления частиц упругой среды.

Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в широком диапазоне частот и интенсивностей. Частотный диапазон слышимых человеческим ухом звуков охватывает область частот от 16 - 20 Гц до 20 кГц. Границы частотного восприятия существенно зависят от возраста человека и состояния органа слуха. У лиц среднего и пожилого возраста верхняя граница слышимой области понижается до 12 – 10 кГц.

Область слышимых звуков ограничена двумя кривыми, так называемые пороги: нижняя кривая определяет порог слышимости, т. е. силу едва слышимых звуков различной частоты, верхняя - порог болевого ощущения, т. е. такую силу звука, при которой нормальное слуховое ощущение переходит в болезненное раздражение органа слуха (рис. 7).

Абсолютная величина порога зависит от частоты колебаний. Самые низкие значения порогов имеют место в диапазоне частот 1 - 5 кГц. Для принятого в акустике стандартного тона частотой .1000 Гц порог слуха молодого человека составляет 0 дБ, что соответствует звуковому давлению Ро = 2*10^-5 Па, а интенсивности I = 10^-12 Вт/м². Порог слухового восприятия на частоте 100 Гц приблизительно в 100 раз выше и составляет 10 дБ. Ухо менее чувствительно к звукам низких частот.

Болевым порогом принято считать звук интенсивностью 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па и интенсивности 10² Вт/м².

Таким образом, уровень звукового давления 140 дБ - это порог переносимости интенсивных звуков. Звуковые ощущения оценивают и по порогу дискомфорта (появлению ощущения щекотания, касания, слабой боли в ухе). Такое состояние дискомфорта наблюдается при уровне звукового давления более 120 дБ.

Верхний болевой порог также неодинаков у различных людей. Его уровень может изменяться под воздействием тренировки.

Рис. 7. Слуховой диапазон.

Субъективно воспринимаемую величину звука называют его громкостью. Громкость является функцией интенсивности звука, частоты и времени действия физиологических особенностей слухового анализатора. Интенсивность звука субъективно ощущается как громкость, а частота определяет высоту тона.

Восприятие высоты тона пропорционально логарифму его частоты, а возрастание субъективной громкости пропорционально логарифму увеличения интенсивности. Например, увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует увеличению громкости в 2 раза, а одинаковые отношения частоты 50 - 100 Гц, 1000 - 2000 Гц и т. д. воспринимаются ухом как одинаковое изменение высот тона на одну октаву.

С ростом силы звука частотная характеристика уха выравнивается, и ухо реагирует приблизительно одинаково на звуки разных частот звукового диапазона.

Шкала субъективной громкости является линейной, это позволяет сравнивать громкости различных источников, а также количественно оценивать эффективность шумоглушения.

Восприятие громкости шумов со сложным спектром значительно отличается от восприятия чистых тонов. Громкость шума зависит от ширины частотного спектра и определяется полосой с наибольшими уровнями шума. При этом в ряде случаев может возникнуть явление маскировки, т. е. изменение порога восприятия одного звука в зависимости от частоты и интенсивности другого. Маскировка максимальна при воздействии низких, близких по значению частот. Явление маскировки используется для защиты от неблагоприятного действия шума, повышения или снижения разборчивости речи.