Динамический диапазон слуха

 

   Чистые тоны субъективно воспринимаются громкими или ти­хими в зависимости от силы (интенсивности) звука. Сила звука(обозначаемая обычно символом /) определяется потоком той зву­ковой энергии, которая при распространении в пространстве про­ходит ежесекундно через каждый квадратный метр плоскости, пер­пендикулярной к направлению распространения волны. Единица измерения силы звука - BTjM2. Она связана со звуковым давлени­ем квадратичной зависимостью. Это

9

 

значит, что изменение силы звука пропорционально соответствующему изменению величины звукового давления, возведенному в квадрат (I пропорционально р2). Объясняется это тем, что увеличение звукового давления обяза­тельно сопровождается пропорциональным увеличением колеба­тельной скорости (ν) частиц воздуха. А сила звука зависит одно­временно от этих обеих величин, т.е. 1 = рν. Следовательно, при­рост звукового давления в 2 раза влечет за собой увеличение силы звука в 4 раза; соответственно при росте звукового давления в 3 раза сила звука возрастает в 9 раз, и т.д.

   Человеческий слух улавливает не все звуки. Человек начинает слышать при силе звука, превышающей или равной не которой величине, называемой порогом слышимости (или слуховым поро­гом). Более слабые звуки слухового ощущения не вызывают. С уве­личением силы звука достигается нормальная слышимость, а за­тем при еще больших амплитудах звуковых колебаний к воспринимаемому звуку добавляется осязаемое ощущение давления, а дальнейший рост силы звука вызывает болезненное раздраже­ние органа слуха. Так называемый болевой порог ограничивает область слышимости при высоких уровнях интенсивности. Чув­ствительность человеческого уха зависит от частоты приходящего сигнала, поэтому уровень порога слышимости для разных частот различный.

 

 

          На рис. 3 приведены значения силы звука и звукового давле­ния, при которых звуковые сигналы с различными частотами ста­новятся едва слышимыми. Человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам от 1000 до 5000 Гц. Порог слышимости здесь самый низкий. Так, на частоте 1000 Гц (1 кГц) пороговая сила

10

 

звука со­ставляет около 10-12 Вт/м2, что соответствует звуковому давлению2.10-5 Па.

При смещении из области оптимальной слышимости в сторо­ну низших и высших звуковых частот чувствительность человечес­кого уха резко падает. Это видно по подъему кривой порога слы­шимости вблизи краев слышимого диапазона. А вот болевой порог от частоты зависит слабо. Звуковое давление, вызывающее у чело­века болевое ощущение, равно приблизительно 20 Па. На средних частотах звуковое давление, соответствующее болевому порогу, превышает порог слышимости примерно в млн (106) раз. А по­скольку поток энергии звуковой волны связан с величиной звуко­вого давления квадратичной зависимостью, по силе звука болевой порог отличается от порога слышимости в 1012 раз. Обе цифры и определяют динамический диапазон слуха. Но поскольку динами­ческий диапазон, вычисленный по соотношению сил звука на болевом пороге и на пороге слышимости, в числовом значении отличается от того же диапазона, вычисленного путем сравнения соответствующих звуковых давлений, удобнее применять специ­альные единицы его измерения, не зависящие от способа вычис­ления. О них будет сказано далее.

 

   Согласно психофизическому закону Вебера - Фехнера, слух оди­наково оценивает равные относительные изменения силы звука. Другими словами, изменение громкости кажется человеку одина­ковым, если сила звука изменилась в одно и то же число раз (или на один и тот же процент относительно своей первоначальной величины), при этом восприятие не зависит от абсолютного уров­ня силы звука. Так, двукратный рост уровня тихого и громкого звука воспринимаются одинаково, хотя абсолютные приращения звукового давления существенно различны.

  Минимальное изменение интенсивности звука, воспринимае­мое нашим ухом, соответствует изменению звукового давления примерно в 1,12 раза (12%), что соответствует изменению силы звука в 1,25 раза (25%). Итак, наряду со способностью различать звуки, уровни которых различаются в сотни и тысячи миллионов раз, человеческое ухо хорошо реагирует и на очень малые измене­ния уровня звука. Это объясняется логарифмическим законом вос­приятия. Наши ощущения изменений громкости пропорциональ­ны не изменениям силы звука, а логарифму этих величин:

                                                                    I 1

                                                 L =  С*1g I 2

 

где L - кажущееся изменение громкости; I1, I2 - сила звука соот­ветственно до и после его изменения;

С - коэффициент пропор­циональности.

    Например, если сила звука изменится в 10 раз, то субъектив­ное ощущение громкости - всего лишь на одну ступеньку, при100-кратном увеличении силы звука - на две (так как 1g 100 = 2); если это изменение составляет 1000, громкость возрастет в 3 раза так как 1g 1000 = 3), и т.д. Поэтому увеличение или уменьшение силы звука принято измерять в специальных логарифмических еди­ницах. Причем каждое десятикратное изменение силы звука (зву­ковой энергии) оценивается единицей,

11

 

называемой Бел (Б). Дру­гими словами, различие величин звуковой энергии (силы звука) в Белах вычисляется по формуле NБел = 1g I2/I1.

к примеру, если I2 = 10 I1, то Ig I2/I1 = 1910 = 1, т.е. N = 1 Б;

при I2 = 100 I1 имеем: Ig100 = 2 и N = 2 Б.

  Более мелкие изменения звуковых уровней измеряют в долях Бела. На практике используется в основном производная от Бела единица измерения, равная десятой части Бела, т.е. децибел (дБ).

Изменение уровня силы звука, выраженное в дБ, равно чис­ленному значению десятичного логарифма отношения сравнива­емых уровней, умноженному на 10, т.е. N дБ = 10 *lg I2/I1.

 

12.

 

13

 

14.

 

 

сит от частоты звукового сигнала. Порог слышимости, изображен­ный графически, представляет собой кривую, опускающуюся ниже всего в области частот 3000-4000 Гц и поднимающуюся к краям звукового диапазона. Из этой формы кривой следует, что для рав­но громкого ощущения интенсивность высоких и низких частот должна быть выше, чем средних.

  Можно нарисовать семейство кривых для разных уровней зву­ка таким образом, чтобы на каждой из этих кривых точки на раз­личных частотах соответствовали бы одному и тому же уровню громкости (рис. 4).

  По этим кривым, называемым кривыми равной громкости, или кривыми Флетчера - Менсона, можно по уровню звука на любой частоте определить соответствующий этому звуку уровень гром­кости.

  Например, уровень громкости L звукового тона с частотой 100 Гц и уровнем 50 дБ, судя по кривым, равен 20 фон. (Действи­тельно, звук 100 Гц с уровнем 50 дБ по громкости равен звуку1000 Гц с уровнем 20 дБ.)

Кривые равной громкости как бы выпрямляются с ростом об­щей громкости прослушивания. Другими словами, частотная за­висимость слуха в большей степени сказывается при тихом про­слушивании, чем при громком. Это важно учитывать, если, на­пример, музыка при записи контролировалась на высоких уровнях громкости, а прослушиваться будет тихо. В этом случае может воз­никнуть кажущееся изменение соотношений между частотными

 

 

15.

 

 

составляющими музыкального произведения. Так, при малой гром­кости прослушивания, из-за ослабления чувствительности слуха на низких и отчасти на высоких частотах звучание может казаться обедненным, лишенным сочности, естественности. Весьма жела­тельно поэтому, чтобы в студиях звукозаписи громкоговорители работали с одинаковым уровнем. громкости: это уменьшит воз­можность ошибок при субъективной оценке качества звучания.

Уровень громкости измеряется и настраивается в студиях при помощи специального электроакустического прибора - шумоме­ра, так как описанный метод субъективного сравнения измеряе­мого звука с эталонным тоном довольно трудоемок, не всегда точен и имеет в основном лишь теоретическое значение. При использовании шумомера измеряемый звук преобразуется микро­фоном в электрические колебания. Затем, после усиления специ­альным усилителем, эти колебания измеряются прибором, отградуированным в единицах измерения уровня громкости. Причем, чтобы показания прибора как можно более точно соответствова­ли субъективному восприятию громкости, прибор снабжен осо­быми фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности человеческого слуха. Приводим примерные уровни громкости некоторых типичных звуковых источников (табл. 2).

При записи музыкальных произведений, предназначенных для длительного хранения на радио и телевидении или для производ­ства компакт-дисков, чтобы легче заметить мелкие дефекты звуча­ния в процессе записи или монтажа,

 

                                                                                                               Таблица 2

 

Источники звука	Уровень громкости,фон
Авиамотор на расстоянии 5м	125
Фортиссимо оркестра	95-100
Шум движущегося поезда метро	90
Громкая радиомузыка, меццо-форте музыкального исполнения, шум на улице с движущимся транспортом	70 - 80
Аплодисменты	60 - 70
Пианиссимо музыкального исполнения, разговорная речь в жилой комнате	40 - 50
Тиканье часов на расстоянии 0,5 м	30
Шепот на расстоянии 1 м	20

 

16.

 

 

звукорежиссеры предпочита­ют устанавливать уровень громкости прослушивания с контрольных громкоговорителей в пределах 90-96 фон при исполнении боль­шими коллективами оперной и симфонической музыки, а при исполнении камерных произведений - до 80-85 фон.

Уже упоминалось, что громкость зависит от условий, в кото­рых звук воспринимается слушателем. Здесь в первую очередь сле­дует учитывать эффект звуковой маскировки. Напомним, что в ре­альных условиях акустический сигнал не существует в условиях абсолютной тишины - вместе с ним на слух воздействуют те или иные посторонние шумы, затрудняющие слуховое восприятие и, как говорят в таких случаях, маскирующие в определенной степе­ни основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидально­го тона посторонним шумом оценивается обычно величиной, ука­зывающей, на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия в тишине. Мас­кировку сложного сигнала (например, речи или определенной партии музыкального инструмента) измерять смещением порога слышимости не имеет смысла. В этом случае важны не только уро­вень громкости, но и сохранение разборчивости речи или отчет­ливости музыкальной темы на фоне постороннего шума и прочих звуков. Так, при передаче оркестрового произведения из-за маски­ровки аккомпанементом партия солиста может стать плохо раз­борчивой, невнятной.

Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что любой тон маскируется более низкими тонами в большей мере, чем более высокими. Если одно­временно существуют два сложных звуковых сигнала (например, шум и музыка), возникает эффект взаимной маскировки. При этом, если основная энергия сигналов принадлежит к одной и той же области звуковых частот, эффект взаимной маскировки будет наи­более сильным.

Достичь требуемой четкости, или, как принято говорить, «про­зрачности» звучания, при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей весьма трудно, если инструменты или отдельные груп­пы инструментов оркестра одновременно играют в одном или близ­ких регистрах. Чтобы добиться ясности основных черт произведе­ния, главных мелодических линий и отдельных музыкальных партий, звукорежиссер располагает микрофоны близко к испол­нителям, умышленно выделяет наиболее важные в данном месте произведения инструменты или использует другие специальные приемы.

 

 

17.

 

Реальный звук.