Слуховой анализатор

Слуховой анализатор является одним из важнейших информационных каналов человека. Если зрительный анализатор имеет направленное действие, требуется направленность и сосредоточенность на объект исследования, то слуховой анализатор не требует подобного сосредоточения на объекте. Одновременно по этому же каналу действуют шумы, которые являются источниками помех для прохождения информации человеку. Носителем слуховых ощущений является звуковая энергия.

Строение слухового анализатора человека изображено на рис. 6. Колебания внешней среды (воздуха) через слуховой проход - 1, воздействует на барабанную перепонку - 2, которая через молоточек - 3, наковальню - 4 и стремечко - 5-передает колебания внутреннему уху. За овальным окном - 6 колебания распространяются в жидкости, заполняющей улитку - 8, вызывают колебания основной мембраны, разделяющей улитку на две части, и в органе Корта преобразуются в электрические сигналы, передаваемые по слуховому нерву - 10 в мозг.

Человек воспринимает звук с помощью чувствительного психофизиологического отражения. Звуковое поле воспринимается человеком как двумерное пространство в координатах – интенсивности звука - I и частоты f, которое переводится в его субъективные ощущения - уровень звукового давления.

Р и с. 6. Строение слухового анализатора человека

1 - слуховой проход; 2 - барабанная перепонка;

3 - молоточек; 4 - наковальня; 5 - стремечко;

6 - овальное окно; 7 – полукружные каналы

8 - улитка; 9 - круглое окно; 10- слуховой нерв

Субъективное восприятие интенсивности звука человеком называется уровнем звукового давления или уровнем громкости L, дБ и подчиняется психофизиологическому закону Вебера - Фехнера:

L =10 lg I/I_o, (6)

где I и I_o (10^-12 Вт/м²) - текущая интенсивность звука и порог слышимости звука человеком соответственно.

Болевой порог составляет I_бп =10 Вт/м². Подставив значения порога слышимости и болевого порога в уравнение (3.6), получим уровень громкости болевого порога:

L_бп =10 lg 10¹³ = 130 дБ. (7)

Таким образом, информационный диапазон восприятия интенсивности звука человеком составляет 0 - 130 дБ (10^-12 – 10 Вт/м²).

Частотный диапазон воспринимаемый слуховым анализатором человека, лежит в пределах 20—20 000 Гц.

Субъективное восприятие частоты звука L_f человеком при постоянном значении интенсивности звука также подчиняется психофизиологическому закону Вебера – Фехнера:

L_f = log₂f_в/f_н (октава), (8)

где f_в и f_н - верхняя и нижняя граничные частоты интервала соответственно, Гц.

Верхняя граничная частота - f_в октавы определяется путем удвоения нижней граничной частоты:

f_в = 2f_{н .} (9)

Каждую октаву было принято обозначать среднегеометрической частотой, которая находится:

f_ср = = f_{н .} (10)

Условно весь звуковой спектр частот разбит на 9 октавных полос со среднегеометрическими частотами:

Номер октавы I II III IV V VI VII VIII IX

f_ср, Гц 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Нижняя граничная частота I октавы может быть найдена из (9) и составит f_{н I} = f_{ср I} / 22,3 Гц (где f_{ср I} = 31,5 Гц).

Верхняя граничная частота IX октавы также находится из (9) и составляет 11 200Гц.

Таким образом, условно считается (для технических целей), что слышимый человекомзвуковой частотный диапазон составляет порядка 22,3 - 11 200 Гц.

Звуки, которые лежат в диапазоне < 22,3 Гц, называются инфразвуками, а звуки с частотой спектра > 11 200 Гц называются ультразвуками.

Слуховой анализатор человека обладает неодинаковой чувствительностью к звукам различной частоты и интенсивности. Наибольшей чувствительностью слуховой анализатор обладает на частотах в диапазоне 500 - 5 000 Гц, и она резко падает на низких и высоких частотах.

Экспериментально удается подобрать звуки разных частот и интенсивностей, оцениваемые субъективно как равные по громкости, т. е. построить кривые равной громкости (рис. 7), которые можно аппроксимировать законом

L_крг = kf², (11)

где k - коэффициент пропорциональности.

Рис.7. Кривые равной громкости

Различие между уровнем громкости и уровнем интенсивности звука тем больше, чем меньше его частота (начиная с 500 Гц) и слабее звук. По мере повышения интенсивности звука кривые равной громкости выравниваются, приближаясь к горизонтальным. Поэтому при уровнях громкости 80 дБ и выше громкость звука определяется главным образом его интенсивностью и мало зависит от частотной характеристики.

Дифференциальная чувствительность к изменению громкости зависит от интенсивности и частоты звуков

K = ΔL/L, (12)

где K - константа Вебера.

При уровнях громкости 40—100 дБ и частотах 500—3000Гц K 0,04- 0,05.

Наибольшая дифференциальная чувствительность наблюдается в диапазоне частот 500—5000 Гц. В частности, при

f =1000 Гц в диапазоне от порога слышимости до болевого ощущения воспринимается 270—300 градаций громкости. Восприятие высоты звуковых сигналов в основном обусловлено их частотными характеристиками. Однако ощущение в некоторой степени зависит также от силы звукового раздражителя и состава звука.

С увеличением уровня громкости ощущение высоты тона низких частот несколько понижается, высоких — возрастает. В среднем диапазоне частот (1000—2000 Гц) ощущение высоты практически не зависит от громкости.

Дифференциальная чувствительность к изменению высоты тона определяется константой Вебера k = Δf/f. В диапазоне частот 500 - 5000 Гц при средних уровнях интенсивности величина k = 0,002—0,003. Дифференциальная чувствительность возрастает с ростом интенсивности звука.

Временной порог t обнаружения звуковых сигналов тесно связан с абсолютным порогом слышимости. В диапазоне (5—20)< t <(100—200) мс действует закономерность

(I — I₀) t = const, (13)

где I_о - подпороговая интенсивность, максимально близкая к порогу, но не вызывающая слухового ощущения ни при каких условиях.

При t < 10 мс порог слышимости круто повышается в сторону малых длительностей. В средней области частот порог слышимости при t = 0,5 мс на 20—22 дБ выше порога при t = 220 мс. Аналогично при переходе от t₁ = 1мс к t₂ = 1с порог слышимости снижается на 22—24 дБ. Временной порог различения интервалов между звуками составляет 0,5—2 мс. Пороговое время опознания прерывистых тональных звуковых сигналов (интервал дискретности) составляет t_кр = 80 — 150 мс.

При t < t_кр информация о сигнале обрабатывается слуховым анализатором не полностью:

 при t = 20— 40 мс два следующих один за другим коротких тональных сигнала воспринимаются как один неоднородный сигнал;

 при t = 40—80 мс те же сигналы воспринимаются как два, в какой-то мере влияющие один на другой, но в то же время имеющие неразличимые индивидуальные характеристики.

Минимальное время восприятия высоты тонов в средней области частот при L = 80 дБ соответствует 10—12 периодам; грубое восприя­тие возможно при 6—8 периодах. При снижении интенсивности до 40 дБ временной порог опознавания высоты увели­чивается в 1,5—2,5 раза (для 1000 Гц с 10 до 22 мс, для 125 Гц с 24 до 40 мс). Для точного опознания высоты тона нужно не менее 90— 110 мс.

Пространственная локализация источника звука возможна благодаря восприятию звуков одновременно двумя ушами (бинауральный слух).

Бинауральный слух от моноурального отличается более высокой абсолютной чувствительностью; помехоустойчивостью; разрешающей способностью при дифференцировании изменений высоты и громкости тональных сигналов и большей возможностью различения пространственного расположения источника звука.

Пространственная локализация источников звука осуществляется за счет:

а) разницы во времени прихода сигналов на правое и левое ухо. Разность в 30—40 мс создает впечатление смешения источника на 2— 3° в сторону уха, в которое сигнал приходит раньше;

б) сдвига фазы сигналов, поступающих на разные уши. Бинауральная фазовая чувствительность наиболее выражена для f = 200—250 Гц, в сторону более высоких и более низких частот ухудшается, при 2000—3000 Гц практически отсутствует. Разность фаз 180° соот­ветствует смещению источника звука на 90°;

в) разницы интенсивности сигналов, приходящих к правому и левому уху.

В определении направления на источник звука при f = 1000 Гц преобладающую роль играет запаздывание и фазовый сдвиг сигнала, при f > 4000 Гц—разница в громкости, при 1000 < f < 4000 Гц работают оба механизма.

К основным характеристикам речевых звуков относятся диапазон частот f= 100—8000 Гц и интенсивность звука I = 0 - 65 дБ.

Влияние шума на разборчивость зависит от соотношения уровней шума и речи. Для удовлетворительного восприятия речи ее уровень должен превышать шум примерно на 6 дБ.

Оптимальным считается темп речи 60—80 слов в 1 мин с интервалом между словами 1 с, а допустимым — до 120 слов в 1 мин.